史繼帥， 張蓮花， 田金華

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都　610059； 2.四川省地質(zhì)工程勘察院， 四川 成都　610072)

?

寶興縣出居溝泥石流形成條件及堵河堆積形態(tài)研究

史繼帥1， 張蓮花1， 田金華2

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都610059； 2.四川省地質(zhì)工程勘察院， 四川 成都610072)

摘要：2013年8月24日，寶興縣永富鄉(xiāng)遭遇強降雨，導(dǎo)致轄區(qū)內(nèi)出居溝暴發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害，此次泥石流堵塞河道造成西河河床抬高，并在上游形成長約260～300 m的堰塞湖.通過野外詳細(xì)調(diào)查，探討出居溝泥石流基本特征和形成條件，進行堵河堆積形態(tài)分析.研究結(jié)果表明，出居溝溝域內(nèi)具有泥石流發(fā)育的良好自然條件，本研究根據(jù)出居溝泥石流堵河堆積形態(tài)劃定堆積范圍，并提出了相應(yīng)的減災(zāi)措施.

關(guān)鍵詞：出居溝泥石流；基本特征；形成條件；堵河堆積形態(tài)

0引言

出居溝位于雅安市寶興縣永富鄉(xiāng)，受蘆山“4·20”地震影響，溝域內(nèi)新增了大量的崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡等次生地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致松散固體物源增多.2013年8月24日18點左右在出居溝上游發(fā)生強降雨，并于晚上22點左右暴發(fā)泥石流，一直持續(xù)到次日凌晨2點結(jié)束，泥石流呈陣性流，沖出溝口后堵塞西河，并沿主河堆積.此次泥石流造成西河河床抬高，泥石流堵塞河道導(dǎo)致在西河上游形成長約260～300 m的堰塞湖，嚴(yán)重威脅了中崗村居民及西河下游居民的生命財產(chǎn)安全.目前，該溝內(nèi)物源較為豐富，在強降雨條件下，再次暴發(fā)泥石流的可能性較大.本研究根據(jù)對出居溝“8·24”特大泥石流災(zāi)害后的調(diào)查[1]，分析了出居溝泥石流的形成條件及啟動機理，并反算該泥石流的運動特征參數(shù)，對出居溝泥石流在不同暴雨頻率下的堵河堆積形態(tài)進行研究.

1環(huán)境地質(zhì)概況

出居溝位于雅安市寶興縣永富鄉(xiāng)中崗村，地處四川盆地與青藏高東南緣的過渡地帶，為龍門山斷褶強烈侵蝕斜坡式中高山地貌，流域面積10.11 km2，主溝長5.74 km，主溝源海拔約4 020 m, 溝口處海拔約1 738 m，相對高差2 264 m，總平均縱坡降236‰.流域主要呈“V”字型溝谷，平面形態(tài)呈柳葉狀.溝內(nèi)物源受風(fēng)化卸荷和地震作用，形成溝床內(nèi)松散堆積體和溝谷兩側(cè)的崩滑堆積物.

出居溝流域?qū)冽堥T山構(gòu)造帶西南段和金湯弧形構(gòu)造弧頂一帶，挽近構(gòu)造活動性較強，為松潘、龍門山地震帶的一部分.該流域處于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育強烈的地區(qū)，區(qū)內(nèi)斜坡陡峭，巖體破碎，發(fā)生崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡及泥石流的可能性比其他地方要高.主要出露地層為第四系全新統(tǒng)泥石流堆積層、第四系全新統(tǒng)坡洪積層、第四系全新統(tǒng)崩坡積層、第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層、二疊系基巖及三疊系下統(tǒng)波茨溝組等.

2008年5月12日汶川發(fā)生的8.0級特大地震及2013年4月20日蘆山發(fā)生的7.0級地震，均發(fā)生于龍門山斷裂帶上.寶興縣位于蘆山縣西側(cè)，受地震影響相對較嚴(yán)重，出居溝流域震感強烈，受地震影響破壞較嚴(yán)重，場地區(qū)域地殼穩(wěn)定性較不穩(wěn)定.

2泥石流形成條件分析

出居溝屬構(gòu)造剝蝕侵蝕高中山地貌和侵蝕深切河谷地貌，如圖1所示.山坡陡峭，坡度一般為25 °～55 °，溝道坡降上陡下緩，底部深切溝谷發(fā)育，多為“V”型谷.谷底溝道狹窄，溝底寬度3～15 m，局部地段受坡體松散堆積物堵塞，溝道寬度不足1 m.由于溝谷兩岸斜坡坡度較大，受地震影響，坡體穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生崩塌、滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象，導(dǎo)致堵塞溝道，排水不暢.陡峭的地形及較大的溝床比降，利于地表水匯流及排泄，降雨時水流速度較大，沖刷、 侵蝕能力增強，易揭底沖刷溝道而形成泥石流.較大的相對高差及陡峻的溝床比降為水源和泥石流物源的匯集提供了有利的地形地貌條件，為泥石流的形成提供了充足的勢能條件.

圖1出居溝地貌分區(qū)圖

2.1地形地貌條件與溝道條件

根據(jù)出居溝溝域地形地貌、物源狀況、水源條件、植被發(fā)育狀況、分布特征及溝道泄流能力等將溝域劃分為清水區(qū)、形成流通區(qū)和堆積區(qū).清水區(qū)流域面積較大，且溝域縱坡降較大，暴雨時溝內(nèi)流量、流速較快，對下游溝道的沖刷、侵蝕能力較強，為泥石流的形成匯集水源和提供水動力條件.形成流通區(qū)分布于流域中下游，該區(qū)段主要由岸坡崩滑體堆積、溝道泥石流堆積、坡面侵蝕堆積及基巖等地層組成.由于風(fēng)化卸荷和地震的影響，兩岸崩塌、滑坡較發(fā)育，松散物質(zhì)較豐富，為泥石流主要松散固體物源分布區(qū).堆積區(qū)主要位于溝口西河河床及岸坡居民區(qū)，平面形態(tài)呈不規(guī)則扇型，主溝長度約0.6 km，主溝呈寬“U”形，平均溝床縱比降98‰.

出居溝在地形地貌上主要表現(xiàn)為3方面的特征：溝谷總體較狹窄，兩岸斜坡陡竣，局部溝段寬緩，溝床總體縱坡降大，具體特征參數(shù)如表1所示.兩岸斜坡陡竣流通區(qū)植被覆蓋較差，便于水流匯集.同時，陡峭斜坡穩(wěn)定性相對較差，易形成崩塌、滑坡，可以為泥石流提供物源條件；局部段寬緩可以為泥石流提供局部減緩、停淤作用；縱坡降大的溝段決定泥石流的動能發(fā)展，泥石流容易迅猛直瀉，有利于泥石流的加速和實現(xiàn)重力勢能向動能的轉(zhuǎn)變.

表1　出居溝流域特征參數(shù)統(tǒng)計

2.2物源條件

出居溝泥石流為固液兩相流體，內(nèi)含大量的泥沙、碎塊石及漂礫等固體物質(zhì).松散固體物質(zhì)的形成與地質(zhì)背景條件和地質(zhì)營力有關(guān)，泥石流固體物源累積過程多與不良地質(zhì)現(xiàn)象和人類工程活動聯(lián)系在一起.其物源類型主要分為崩滑物源(崩塌、滑坡)、溝道物源(溝床侵蝕物源、溝床堆積物源)及坡面侵蝕物源.

2013年“4·20”蘆山地震后，出居溝泥石流兩岸的滑坡發(fā)生局部下挫，變形明顯，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài).隨著出居溝總的松散固體物源增加，在強降雨條件下，易發(fā)生崩塌、滑坡并進入溝道為泥石流提供物源.本研究通過野外調(diào)查和遙感解析共確定了崩滑堆積物源共13處，溝域內(nèi)崩滑物源、溝床侵蝕物源和坡面侵蝕物源總量為301.18×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為70.21×104m3，具體如表2所示.

表2　出居溝物源特征統(tǒng)計

2.3水動力條件

出居溝泥石流的水源主要來源于大氣降水，該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū).據(jù)寶興氣象站資料，出居溝所在流域多年平均降雨量1 101.5 mm，最大年降雨量為1 279.0 mm，最大日降雨量達(dá)123.5 mm，最大3 h降雨量80.0 mm以上.降雨量主要集中于5～9月，兩季降雨量占全年的85%.寶興縣水文站實測最大年降雨量1 526.0 mm，實測最大1 d降雨量125.6 mm，實測最大3 h降雨量100.0 mm以上；靈關(guān)雨量站實測最大年降雨量1 726.9 mm，實測最大1 d降雨量158.1 mm.降水分配很不均勻，由此可見，豐富而集中的降水、較多的局地性暴雨及較大的暴雨強度，均為山洪泥石流、滑坡的形成提供了充足的水源條件.

2013年8月24日寶興縣城及永富鄉(xiāng)降雨站收集的雨量資料均在20 mm/d以下，而四川泥石流統(tǒng)計資料表明泥石流發(fā)生的1 h雨強最低在15 mm左右，絕大部分在20～60 mm之間，因此出居溝“8·24”特大泥石流暴發(fā)時雨量應(yīng)主要是受永富鄉(xiāng)局地強降雨的影響，其中出居溝上游的強降雨過程歷時4 h，據(jù)調(diào)查訪問及估算1 h最大降雨量高達(dá)40 mm以上，達(dá)到100年一遇的規(guī)模.

2.4啟動機理分析

出居溝“8.24”大型泥石流的暴發(fā)過程與該溝特殊的地形條件密不可分，暴發(fā)過程可歸納為，水源匯集—水石混合—跌水段加速—匯集主要松散物源—再加速—拉槽側(cè)蝕—淤積溝口.在泥石流形成過程中，溝域地形陡峻、溝谷縱坡降大等為水源和泥沙的匯聚提供了有利的地形地貌條件，出居溝中段兩岸強烈的崩滑現(xiàn)象和震后水土流失的加劇以及溝道內(nèi)大量的溝道堆積物為泥石流的發(fā)生提供了豐富的松散固體物源，而暴雨則是泥石流形成的主要誘發(fā)因素.

3泥石流堵河堆積形態(tài)分析

泥石流攜帶的大量固體物質(zhì)在沖出溝谷以后失去地形的約束，在地形平緩開闊的溝口處堆積下來，形成扇狀堆積體并堵塞西河.

3.1泥石流運動特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查實驗法和查表法綜合判斷，出居溝泥石流的平均容重為1.68 t/m3，屬于粘性泥石流.依據(jù)出居溝泥石流性質(zhì)和特點計算該泥石流的流速時，采用西南地區(qū)泥石流流速公式[3]進行計算.

(1)

式中，nc為泥石流溝床糙率;Hc為計算斷面泥深，m;Ic為泥石流水力坡降，可用溝床坡降代替.

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料，以及利用文獻[6]求得的西河在不同暴雨頻率下的洪峰流量，采用雨洪法[2]，假定泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生及計算斷面的暴雨洪水設(shè)計流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量，

Qc=(1+φ)Qp×Dc

(2)

式中，Qc為頻率為P的泥石流洪峰值流量，m3·s-1；QP為頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量，m3·s-1；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)；Dc為泥石流堵塞系數(shù).由于泥石流比一般洪水更具有暴漲暴落的特點，一次泥石流過程一般均比較短.泥石流過程線可以概化成五角形[5]，并按式(3)進行計算.

Q=0.264TQc=KTQc

(3)

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量按式(4)計算，

QH=(γc-γw)Wc/(γH-γw)

(4)

最后，統(tǒng)計得出居溝泥石流堵河主要影響參數(shù)的特征值，如表3所示.

表3　出居溝泥石流堵河主要影響參數(shù)特征值

3.2不同暴雨頻率下泥石流堵河堆積形態(tài)分析

出居溝堵塞西河的可能性主要取決于溝口離西河的距離、兩溝交匯處的走向關(guān)系、主河的河形及侵蝕強度.參照陳德明等[3]提出的堵河判別式(式(5))，向靈芝等[4]提出的經(jīng)驗計算方法(式(6)～(8))，對出居溝在不同暴雨頻率下暴發(fā)泥石流引起堵河的可能性及堆積形態(tài)進行分析.計算結(jié)果見表4.

(5)

Hd=0.141V1/3+4.21

(6)

L=2.446V1/3+0.7487

(7)

Hd=2.748V1/3+0.3483

(8)

式中，γc為泥石流流體容重，t·m-3；γw為主河河水容重，t·m-3；Qw為泥石流發(fā)生時主河河水流量，取西河汛期的多年平均流量，46.52 m3·s-1；Vc為泥石流入?yún)R時的流速，m·s-1；Vw為泥石流入?yún)R處主河河水流速,取3.8 m·s-1；α為泥石流溝入?yún)R角，取80°；V為泥石流堆積量，m3；L為泥石流堆積長度，m；B為泥石流堆積寬度，m.

表4　出居溝堵河判別結(jié)果及堆積形態(tài)特征值

表4中，閾值按正常條件取值為1.44，大于1.44時為堵河.從計算結(jié)果可知，出居溝在暴雨頻率大于10%的情況下暴發(fā)泥石流便可造成堵河事件，甚至可以將河流全部堵塞.根據(jù)堆積體形態(tài)參數(shù)、出居溝溝口地形地貌條件以及“8·24”出居溝泥石流堆積特征，可以劃定不同暴雨頻率下出居溝發(fā)生泥石流災(zāi)害后的堆積范圍，如圖2所示.可見，由于“8·24”泥石流發(fā)生后，出居溝溝口段西河河床大幅抬高，當(dāng)再次暴發(fā)相等規(guī)模泥石流時將直接威脅堆積范圍內(nèi)居民的生命財產(chǎn)安全及交通運輸?shù)陌踩?

圖2不同暴雨頻率下泥石流堆積范圍

4結(jié)論

通過對出居溝泥石流形成條件與堵河堆積形態(tài)分析，得出以下幾點結(jié)論：

1)出居溝流域處于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育且強烈的地區(qū)，受“4·20” 蘆山地震影響，在2013年8月24日暴雨條件下，出居溝溝內(nèi)松散物源被洪水揭底沖刷，溝岸被淘蝕，大量松散固體物源被洪水?dāng)y帶，從而形成大規(guī)模的泥石流.

2)出居溝溝域內(nèi)具有泥石流發(fā)育的良好條件，流域地形地貌為暴雨洪水的匯集、松散固體物質(zhì)的搬運和泥石流的形成提供了極為有利的地形條件.固體松散物質(zhì)動儲量巨大，為泥石流的形成提供了豐富的物源條件.豐富而集中的降水，大強度局地性暴雨提供了強大的水動力條件.

3)出居溝在暴雨頻率10 %的情況下發(fā)生泥石流災(zāi)害就會發(fā)生堵河事件，甚至可將河流全部堵塞，形成堰塞湖，嚴(yán)重威脅了中崗村居民及西河下游居民的生命財產(chǎn)安全.

4)建議對出居溝泥石流采用“固+攔+護”的治理措施，控制和減輕泥石流災(zāi)害.通過修建攔砂壩攔擋固源、溝道侵蝕段護岸堤、針對保護對象修建單邊防護堤等措施確保溝口人民的生命財產(chǎn)安全.

參考文獻:

[1]四川省地質(zhì)工程集團公司.雅安市寶興縣永富鄉(xiāng)中崗村出居溝(中崗溝)泥石流勘察報告[R].成都：四川省地質(zhì)工程集團公司，2014.

[2]周必凡，李德基，羅德富，等.泥石流防治指南[M].北京：科學(xué)出版社，1991.

[3]陳德明，王兆印，何耘.泥石流入?yún)R對河流影響的實驗研究[J].泥沙研究，2002，47(3):22-28.

[4]向靈芝，崔鵬，鐘郭倫，等.汶川地震區(qū)泥石流危害道路的定量分析——以汶川縣肖家溝為例[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2012，59(3)：387-393.

[5]張自光，張志明，張順斌．都江堰市八一溝泥石流形成條件與動力學(xué)特征分析[J]．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2010，21(1):34-38．

[6]四川省水利電力廳．四川省中小流域暴雨洪水計算手冊[M].成都:四川省水利電力廳，1984．

Formation Conditions of Debris Flow and Accumulation Form of Blocking River in Chujugou Valley in Baoxing County

SHIJishuai1,ZHANGLianhua1,TIANJinhua2

(1.College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;2.Sichuan Institute of Geological Engineering, Chengdu 610072, China)

Abstract:On the 24th of August,2013,a heavy rainfall in Yongfu Township,Baoxing County,caused an outbreak of large-scale debris flow in Chujugou valley.The debris flow caused the elevation of Xihe riverbed and meanwhile,the mudslides blocked rivers,forming a barrier lake in the upper reaches which was as long as 260 to 300 meters.Through field investigation,the basic characteristics and formation conditions of the debris flow in Chujugou Valley are discussed,and the analysis of the formation form of the blocking river is also done.The research shows that the geological conditions in the Chujugou valley are apt to cause debris flow.Finally,according to the accumulation form of blocking river,the accumulation area is designated and some countermeasures to reduce disasters are also put forward.

Key words:debris flow in Chujugou valley;basic characteristics;formation conditions;accumulation form of blocking river

中圖分類號：P642.23

文獻標(biāo)志碼：A

作者簡介：史繼帥(1990 — )， 男， 碩士研究生， 從事地質(zhì)災(zāi)害防治與治理研究.

收稿日期：2015-12-15.

文章編號：1004-5422(2016)01-0099-04